Атмосферный парниковый эффект на пальцах

15:32 16/02/2020
Комментарии 0 👁 403

В чем не прав Александр Городницкий.

Комментировать статьи Александра Городницкого по климату достаточно легко — ошибки лежат на поверхности. В принципе, климатические упражнения Городницкого можно было бы и проигнорировать ввиду их научной несостоятельности, но вот беда — Александр Моисеевич всё же доктор наук (пусть и не по климатологии, но по другой естественнонаучной специальности) да еще и известный бард, к чьим словам люди прислушиваются.

Итак, начнем с очевидных ошибок в статьях (вернее сказать, статье, потому что вторая статья почти полностью повторяет первую) доктора Городницкого.

Что поразило больше всего лично меня, это удивительные хронологические и логические несоответствия, которые бросаются в глаза любому читателю, но которые не смущают самого автора. Например, А. Г. пишет: «миф о глобальном потеплении, сформулированный впервые американским политиком Альбертом Гором несколько десятилетий назад и приведший к соглашениям в Киото в 1997 году» — и несколькими абзацами ниже поясняет, что мифу дала начало книга Гора «Неудобная правда», выпущенная в 2007 году! Видимо, неудобная правда заключается в том, что авторы Киотского протокола, владея технологиями перемещения во времени, из середины 1990-х метнулись в ­2007-й, чтобы прочитать книгу Гора…

Еще пример: «До начала XXI века вообще не существовало никакой научной теории парникового эффекта и влияния парниковых газов на тепловые режимы атмосферы», а буквально абзацем раньше: «Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами впервые была высказана в конце XIX столетия известным шведским ученым Сванте Аррениусом (1859–1927)». Речь идет о статье Аррениуса, которую он опубликовал в апреле 1896 года и в которой была представлена одна из первых теорий парникового эффекта [1].

Атмосферный парниковый эффект на пальцах

Если бы атмосфера Земли была прозрачна для всех длин волн, то равновесие между поглощением солнечного света и тепловым излучением Земли произошло бы при средней температуре –15 °С — всё бы замерзло. На самом деле эта величина зависит от широты, но для ориентации оценка годится. Мы точно знаем, что Земля намного теплей. Причина в парниковом эффекте. Сразу отметим, что процесс в атмосфере происходит не совсем так, как в теплицах, но название закрепилось намертво.

Для начала предположим, что облаков нет — этот случай проще. Тогда солнечный свет беспрепятственно достигает поверхности и нагревает ее. Поверхность излучает на других длинах волн — в основном больше 5 микрон. Но в этом диапазоне у атмосферы есть широкие спектральные интервалы низкой прозрачности из-за парниковых газов. Это прежде всего водяной пар и углекислый газ.

Но от равновесной температуры никуда не денешься: Земля обязана излучить всю энергию, которую она получила от Солнца (пренебрегаем нагревом океана и собственным теплом Земли). Излучение для нее — единственный способ охлаждения. И сделать это она может только при эффективной температуре, близкой к равновесной. Так это и происходит: Земля излучает при эффективной температуре –15 °С (термин «эффективная» включает в себя правильное усреднение по широте и спектру), но не с поверхности, а из высоких слоев тропосферы, где температура как раз такого порядка. Это та высота, откуда инфракрасные фотоны беспрепятственно улетают в космос. А на поверхности температура в то же время намного выше, это нам хорошо известно, и понятно, почему это так. Температурная зависимость воздуха от высоты, как правило, определяется адиабатическим законом. Если есть вертикальная конвекция, то воздух, поднимаясь, охлаждается, а опускаясь, нагревается, и температурная кривая с высотой соответствует адиабате. Это типичный случай.

Чем больше концентрация парниковых газов, тем выше должны излучаться фотоны, чтобы они могли улететь в космос, значит, тем выше должен лежать слой с эффективной температурой –15 °С. А соотношение температур для разных высот остается тем же. Значит, у поверхности потеплеет при росте концентрации парниковых газов.Обычно парниковый эффект объясняют переносом фотонов, по сути их диффузией, где вместо рассеяния происходит поглощение и излучение. Поскольку источник тепловых фотонов — поверхность Земли (именно она переводит один фотон света в несколько инфракрасных фотонов), то концентрация ИК-фотонов, а следовательно, и температура должны убывать снизу вверх. При этом, если нет конвекции, то температурный перепад получается еще больше, и земля бы нагрелась гораздо сильней. Но это неустойчивый вариант — конвекция обязательно начнется и сгладит перепад температуры до соответствия адиабате.

Облачность меняет картину, она становится более сложной, равновесная температура немного падает, но парниковый эффект в целом продолжает работать, иногда даже сильней — экстремальным примером такой ситуации является Венера.Это объяснение, конечно, содержит сильные упрощения (в частности, основные вычислительные проблемы «сидят» в усреднении по спектру, перенос фотонов приходится считать численно), но в целом ухватывает главные эффекты. Из вышесказанного, в частности, ясно, что атмосферная конвекция не отменяет парниковый эффект, как гласит распространенное заблуждение, а формирует его.

Есть несколько забавных ляпов, которые бросаются в глаза человеку, хотя бы немного знакомому с физикой. Например, в первой статье он путает парциальное давление газов (которое измеряется в гектопаскалях) и мольную концентрацию (в ppmv, или в объемных частях на миллион). Правда, во второй статье этого ляпа уже нет. В другом месте он путает наклон оси вращения Земли относительно плоскости эклиптики (плоскости, которую образует Земля, вращаясь вокруг Солнца) с прецессией, называя его «углом прецессии». Ну а лично мой любимый ляп вот этот: «молекулы CO2 способны нагреваться за счет поглощения инфракрасного излучения», — молекулы не ­могут ­«нагреваться», поскольку «температура молекулы» не имеет физического смысла.

Уже эти огрехи должны были бы насторожить внимательного читателя и заставить его задать себе вопрос: «Что за чушь я читаю?!» Теперь несколько менее очевидных ошибок, заметить которые может только читатель, обладающий специальными знаниями.

«…По данным академика В. М. Котлякова и нашим наблюдениям за снежным покровом Полюса относительной недоступности Антарктиды, масса льда и снега этого континента за последние 30–40 лет существенно увеличивалась» — это утверждение не соответствует действительности (да и никаких наблюдений за снежным покровом на Полюсе недоступности никто не ведет, возможно, А. Г. путает его со станцией «Восток»). В статье 2017 года Владимир Михайлович Котляков пишет: «…в современную эпоху глобального потепления масса льда в Антарктиде, по-видимому, убывает». По изменению массы ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии последние годы вышло множество научных статей, в том числе и несколько обзорных. Изменение массы полярных ледников изучается тремя независимыми способами: масс-балансовым методом, спутниковой альтиметрией (точным измерением высоты поверхности ледника) и изменением силы тяжести. Эти методы дают один и тот же результат: начиная с 1990-х годов Антарктида теряет массу; в основном эти потери локализованы в Западной Антарктиде и на Антарктическом полуострове; в Восточной же Антарктиде есть зоны, где масса прибывает и где убывает, в целом же ее баланс массы статистически неотличим от нуля . С 1992 по 2017 год Антарктида потеряла около трех триллионов (три миллиона миллионов) тонн льда. То же самое происходит и в Гренландии, только она теряет массу по всей периферии ледяного щита.

Тот факт, что ледники Земли тают, согласовывается с независимыми данными о росте уровня Мирового океана. Сейчас уровень моря растет примерно на 3.5 мм/год, но скорость роста постоянно увеличивается. В XX веке рост уровня моря наполовину объясняется тепловым расширением воды (при нагреве ее объем увеличивается!) и таянием горных ледников, а в XXI веке основной вклад будут давать тающие полярные щиты Гренландии и Антарктиды.

Откуда же Городницкий взял тезис о росте массы Антарктиды? Честно говоря, не знаю. Возможно, он путает баланс массы ледника и скорость накопления снега в зоне аккумуляции. Действительно, есть данные, что скорость накопления снега (количество снега, которое ежегодно выпадает из атмосферы и откладывается на поверхности в виде снежного покрова) в центральной Антарктиде немного выросла за последние 200 лет . Но это лишь приходная часть баланса массы! Расходная часть баланса массы (течение льда с материка в океан, откол айсбергов и таяние ледяных шельфов) тоже выросла, причем сильнее, чем приходная часть.

Роль воды в парниковом эффекте

Вода при ее средней концентрации в атмосфере сильнее поглощает тепловое излучение, чем углекислый газ. Почему при этом всех беспокоит именно повышение концентрации СО2? Дело в том, что водяной пар может очень быстро появляться и исчезать, а концентрация СО2 стабильна — углекислый газ может лишь медленно накапливаться или медленно поглощаться, он не может быстро конденсироваться. Таким образом, углекислый газ — ведущий фактор, а водяной пар — ведомый, его концентрация зависит от концентрации СО2 через температуру — чем сильней парниковый нагрев от углекислого газа, тем больше воды в атмосфере — это положительная обратная связь, усиливающая парниковый эффект.

С другой стороны, водяной пар сглаживает адиабату, которая определяет высотную зависимость температуры: «мокрая» адиабата положе «сухой» из-за того, что в восходящем потоке конденсируется водяной пар и выделяется тепло. В этом смысле водяной пар смягчает парниковый эффект, который сам же и усиливает.

Таким образом, водяной пар в целом дает сильный эффект, но скорей в порядке обратной связи (и положительной, и отрицательной), а не как самостоятельный фактор.

«Нет ни одного достоверного доказательства влияния парниковых газов на климаты Земли». Таких доказательств сотни! И многие из них были известны задолго до публикации книги Гора и Киотского протокола. Парниковый эффект, наряду с изменением солнечной инсоляции ­(приходящей энергии Солнца) и геологическими факторами, на протяжении всего XX века рассматривался климатологами в качестве основного фактора, влияющего на климат планеты. Примеров можно привести великое множество. Похолодание каменноугольного периода связывают с бурным развитием растительности, которая изъяла много углекислого газа из атмосферы. Оптимум эоцена (одна из самых теплых эпох в истории планеты) 52 млн лет назад объясняется очень высокой концентрацией CO2, которого в атмосфере тогда было порядка 500–1000 ppm. Последовавшее затем постепенное снижение количества углекислого газа привело к такому же постепенному похолоданию, которое в конце концов закончилось образованием полярных (сначала в Антарктиде, потом в Северном полушарии) и горных оледенений.

Да и антропогенное влияние на климат вовсе не новость. Весьма активно об этом писали уже в 1960-х годах. В 1972 году российский климатолог Михаил Иванович Будыко издал монографию «Влияние человека на климат» , где, используя относительно простые модели, довольно точно предсказал и концентрацию CO2 в атмосфере к концу XX века, и рост температуры воздуха. Логика его была проста: численность населения будет расти в геометрической прогрессии (когда он издал монографию, людей на Земле было около 3,5 млрд сейчас более 7 млрд, соответственно будет расти и производство энергии, а значит, и потребление топлива, которое, в свою очередь, увеличит содержание CO2 в атмосфере и вызовет рост температуры воздуха. Парниковый эффект тогда, 50 лет назад, для климатологов секретом не был.

«…Вначале менялась температура, и только вслед за ней, через 500–600 лет концентрация CO2». Нет, это не так. Осреднение палеоклиматических данных по всей планете говорит о том, что при переходе от последнего оледенения к межледниковью (20–10 тыс. л. н.) сначала увеличивалась концентрация CO2, а вслед за ней с отставанием примерно на 460 лет росла температура воздуха . Но значит ли это, что именно углекислый газ был первопричиной климатических колебаний в прошлом? Нет, не значит. Всё было немного сложнее. Первопричиной являются астрономические циклы (так называемые циклы Миланковича), в ходе которых немного меняется геометрия орбиты вращения Земли вокруг Солнца, и за счет этого меняется количество приходящей от светила энергии. Таких циклов несколько. Во-первых, с периодом в 40 тыс. лет немного изменяется наклон оси вращения Земли к плоскости эклиптики. Чем больше наклон оси (чем сильнее планета «завалена на бок»), тем больше энергии северное полушарие получает летом и тем меньше зимой (и наоборот в южном полушарии).

Следующий период — 26 тыс. лет — связан с так называемой «прецессией равноденствий». Что это такое? Поскольку орбита Земли не идеально круглая, наша планета то чуть ближе, то чуть дальше от Солнца, причем ближе всего к светилу (в точке перигелия) мы в январе, а дальше всего (в афелии) — в июле. Так вот, за счет прецессии даты прохождения перигелия и афелия всё время немного смещаются. 13 тыс. лет назад Земля проходила точку перигелия в июле, соответственно в северном полушарии летом за счет этого фактора энергии поступало чуть больше, а зимой — чуть меньше (и наоборот в южном полушарии). Наконец, есть ещё циклы (главный из которых около 90 тыс. лет), связанные с эксцентриситетом орбиты, т. е. с вытянутостью эллипса, по которому Земля вращается вокруг Солнца. Чем более круглая у нее орбита, тем меньше влияние прецессии.

Таким образом, в ходе циклов Миланковича северное полушарие (а именно оно является ведущим, когда речь идет о климатических изменениях на планете) получает то немного больше, то немного меньше солнечной энергии. Но этих флуктуаций энергии недостаточно, чтобы объяснить амплитуду температурных изменений на планете в прошлом, нужны еще какие-то факторы. Изменение солнечной инсоляции служит толчком, который запускает каскад других процессов. Небольшое увеличение приходящей солнечной энергии 20 тыс. лет назад в северном полушарии в летний период привело к небольшому сокращению материкового оледенения, ослаблению меридиональной циркуляции воды в Атлантике, изменению углеродного цикла планеты и, как следствие, увеличению концентрации CO2 в атмосфере. И вот уже в ответ на усиление парникового эффекта началось резкое потепление и необратимый распад ледниковых щитов Евразии и Северной Америки. Этому процессу способствовали и другие факторы, например, уменьшение площади ледников снижает альбедо (отражательную способность) планеты. Чем ниже альбедо — тем более темной выглядит поверхность — тем больше энергии она получает от Солнца — тем выше температура — тем сильнее таяние ледников и т. д.

В настоящее время механизм климатических изменений другой, но об этом ниже.

«…В атмосферу поступает около 7–10 млрд тонн углекислого газа, или 1.9–2.7 млрд тонн чистого углерода». В первой статье Городницкого приводились мéньшие цифры, но и эти, исправленные, сильно занижены. В настоящее время за счет сжигания ископаемой органики человек ежегодно выбрасывает в атмосферу 9,9 млрд тонн углерода (или около 40 млрд тонн СО2), еще 1.4 млрд тонн дает землепользование. Из них 2.5 млрд тонн растворяется в океане (повышая его кислотность), а 3.8 млрд тонн потребляется наземной растительностью. Остаток — около 5 млрд тонн в год — накапливается в атмосфере.

Концентрация CO2 в атмосфере сейчас достигла величины 405 ppm — это гораздо больше, чем за предыдущий миллион лет, когда она менялась в пределах от 180 ppm (в холодные эпохи) до 280 ppm (в теплые).

«В противовес примитивной гипотезе зависимости климата только от одной причины — концентрации в атмосфере парниковых газов…» Вот эта фраза выдает Александра Моисеевича с головой: он понятия не имеет, какими методами оперирует современная климатология. Климатические модели учитывают и приходящую солнечную активность, и вулканическую активность, и взаимодействие атмосферы с океаном и сушей, и альбедо поверхности, и многие другие факторы, включая, конечно же, парниковые газы. Если выключить влияние парниковых газов, ни один из оставшихся факторов, в том числе солнечная активность, о которой Городницкий так много пишет, ни все они вместе не способны объяснить наблюдаемые с 1970-х годов изменения климата.

Чем же отличается современное потепление от прошлых эпох, когда температура на Земле повышалась, а влияния человека явно не было? Давайте разбираться.

Причины потепления в конце прошлой ледниковой эпохи 20–10 тыс. лет назад мы уже кратко рассмотрели. Как и современное потепление, то было глобальным, т. е. в той или иной мере оно охватывало все области планеты. Первопричиной его было плавное и медленное увеличение солнечной инсоляции летом в северном полушарии в рамках цикла Миланковича, которое послужило триггером, включившим механизм парникового эффекта. Скорость изменений была достаточно низкой: за 10 тыс. лет температура планеты выросла на 3,5 ºС (в тропиках меньше, в полярных районах больше), т. е. на 0,035 ºС/100 лет. В современную же эпоху скорость потепления порядка 1 ºС/100 лет, а если взять период с 1970 года, то и того больше — 1,5 ºС/100 лет! Только представьте, скорость изменений сейчас в 40 раз выше, чем при таком масштабном глобальном событии, как окончание ледникового периода… Как указано выше, никакими природными факторами этот процесс объяснить невозможно. Солнечная активность с 1960-х годов несколько снизилась (а не росла, как пишет Городницкий), немного компенсируя влияние парникового эффекта. Что до циклов Миланковича, то в масштабе сотни лет их влияние слишком мало, чтобы оказать заметное влияние на климат.

Ну а как насчет климатических аномалий исторического периода, на которые ссылается А. Г., — средневекового потепления (800–1200 годы н. э.) и похолодания Малой Ледниковой Эпохи (1300–1850 годы н. э.)? Самое главное, что о них нужно знать: они не были глобальными. Потепление в одном регионе могло сопровождаться отсутствием температурной аномалии (или даже похолоданием) в другом регионе, поэтому при глобальном осреднении климатическая кривая Земли за последние несколько тысяч лет выглядит довольно гладкой и лишь в конце XX века задирается вверх [8]. Концентрация CO2 в те эпохи менялась несильно, и наблюдаемые региональные аномалии объясняются солнечной и вулканической активностью.

Иными словами, чисто природные причины климатических изменений в далеком прошлом не исключают, что сейчас основная причина изменений — антропогенная. И с другой стороны, тот факт, что сейчас за климатические изменения ответственность несёт человек, не означают, что в древние эпохи, когда деятельность человечества была куда менее активной, чем сейчас, не могло быть естественных изменений климата. Но — повторим — нынешние антропогенные климатические изменения абсолютно беспрецедентны за последние тысячи лет как по скорости событий, так и по их глобальному охвату.

Ждет ли нас в будущем похолодание? Вряд ли. Основной фактор — парниковый эффект — будет действовать еще много десятков лет, даже если мы начнем снижать выбросы прямо завтра. В более отдаленную эпоху нас мог бы ждать очередной ледниковый период, поскольку мы, действительно, находимся на нисходящей фазе цикла Миланковича. Но увы, при концентрации CO2 в атмосфере больше 400 ppm эти циклы практически перестают действовать, и следующая ледниковая эпоха нам не грозит…

И в завершении еще одна фраза из Городницкого, которая не является полностью неверной, но на ней тем не менее тоже хочется остановиться:

«Увеличение концентрации этого газа в земной атмосфере, безусловно, является полезным фактором, существенно повышающим продуктивность сельского хозяйства».

Действительно, при увеличении парциального давления CO2 продуктивность растений увеличивается — правда, не бесконечно (есть оптимальная концентрация, после которой продуктивность будет снижаться), и у всех по-разному. Да и вообще понятно, что одних минусов не бывает, всегда найдутся и плюсы. Но здесь мы вступаем на скользкий путь сложных финансовых подсчетов прибылей и убытков. В том же сельском хозяйстве эффект от увеличения продуктивности может быть сведен на нет убытками от увеличения частоты экстремальных погодных условий, от болезней и паразитов. Что лучше — рост в сельском хозяйстве или убытки при разрушении сооружений в зоне многолетней мерзлоты? При сокращении морского льда в Арктике что лучше — выгоды для судоходства (и это лишь при условии, что Россия обзаведется соответствующей инфраструктурой) или ущерб для местных экосистем и коренных народов?

Так или иначе, с очень большой вероятностью к концу XXI века ущерб от климатических изменений существенно превысит возможную прибыль…

А есть ведь еще и этические вопросы! Сможем ли мы наслаждаться гипотетическим подъёмом сельского хозяйства на Северо-Западе России, зная, что во многих регионах Африки и Азии от засухи и голода гибнут люди? что целые страны Океании будут вынуждены искать себе новую территорию для проживания? что по всему миру гибнут уникальные экосистемы? Оставляю эти вопросы открытыми — ответьте на них для себя сами.

А закончить эту заметку можно фразой из самого Городницкого: «… проблемами изменений климата должны заниматься профессиональные ученые, а не дилетанты и политики». Вот с этим я абсолютно согласен!

Алексей Екайкин,
гляциолог, полярник, вед. науч. сотр. Лаборатории изменений климата и окружающей среды Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ)

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤

Источник

Добавить комментарий